DE1955983A1 - Dichtungsringe,insbesondere Kolbenringe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR. HUGO WILCKEN · DIPL.-ING. THOMAS WILCKEN

D - 24 LÜBECK. BREITE STRASSE 52-54

5. Nov. 1969 Dr.W./L

Anmelder: Wellworthy Limited,Stanford Road,Lymington, Hampshire,England

Dichtungsringe, insbesondere Kolbenringe und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Dichtungsringe, z.B. auf Kolbenringe für Kompressoren, Brennkraftmaschinen oder andere Maschinen, die hin- und hergehende Kolben aus einem synthetischen Plastikmaterial verwenden, und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Verfahren zur Herstellung solcher Dichtungsringe.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Kolbenringe aus Polytetrafluorethylen (nachstehend als P.T.F.E.) bezeichnet) herzustellen. Dies ist entweder erreicht worden durch Herstellung eines Rohres oder einer Manschette aus P.T.F.E. und durch Aufschneiden des Rohres zu einer Anzahl Ringe oder durch getrennte Formgebung jedes Ringes zu seinem besonderen Profil. Solche geformten Kolbenringe, die nach irgend einer Ausführungsart hergestellt sind, besitzen jedoch den Nachteil, daß sie eine maschinelle Bearbeitung ihres inneren und äußeren Durchmessers erfordern, um die endgültigen Ringabmessungen zu erreichen, so daß eine bestimmte Menge an P.T.F.E., welches ein teures Material ist, verlorengeht. Weiter erfordern Ringe verschiedener Abmessungen verschiedene Formen oder Prägewerkzeuge, und zusätzlich erfordern Ringe großen Durchmessers spezielle Herstellungsgeschicklichkeiten.

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* Üb«* (9451) 7 SS 8t, Privaf. Dr. H. WI!ck«n, Curou (04505) 219 · Dlpl.-Ine. Th. Wildem, lob.ck (M51) 251» Bank» Comnwzbonlc A. G., Frt. UJtwdi, Kto.-Nr. » 01W PoiUchtdci Homburg 1381 1?

ORIGINAL INSPECTED

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden.

In einer Hinsicht besteht die Erfindung aus einem Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsringes, nach welchem eine Länge aus synthetischem Plastikmaterial, welches zu einer Querschnittsgestaltung entsprechend dem oder allgemein entsprechend dem herzustellenden Dichtungsring extrudiert ist, in das Profil des Ringes geformt wird. Das Plastikmaterial, vorteilhaft P.T.F.E. kann als Stange mit dem erforderlichen Querschnitt extrudiert werden, wobei die extrudierte auf Länge geschnittene Stange um einen Dorn des erforderlichen Durchmessers gebogen und dann mit Wärme behandelt wird, um dem Material eine elastische Eigenschaft zu verleihen.

Nach einer weiteren Hinsicht besteht die Erfindung aus einem Dichtungsring aus synthetischem Plastikmaterial, vorzugsweise P.T.F.E., der nach dem vorerwähnten Verfahren hergestellt ist.

Weiter besteht die Erfindung aus einem Kolbenring aus extrudiertem P.T.F.E,

Um die Erfindung verständlicher zu machen, wird sie nun anhand der anliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsringes nach der Erfindung,

und* I schematisch zwei verschiedene Arten zum Formen ^m^^{a 7} von Dichtungsringen aue extrudiertem P.T.F.E.-Stangenmaterial.

Bei der Ausführung der Erfindung nach Fig. 1, d.h. zur Herstellung eines axial geschlitzten, normal nach außen f@d#rt>.ds!i Dichtungsringes für einen Kompressor, wird P*T.F.E* In g ^&iaalierter

ORIGINAL INSPcCTcD

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oder pulveriger Form 1 zusammengedrückt und wird vor dem Extrudieren in einer Presse 2 durch einen Rammbock 3 gesintert, wenn das P.T.F.E. durch Heizgeräte 4 erwärmt wird. Das P.T.F.E. braucht keine Füllstoffe enthalten, d.h. es sind irgendwelche Zusätze vermieden, oder es kann mit Füllstoffen versehen werden um die physikalischen Eigenschaften, z.B. den Abnutzungswiderstand, zu verbessern. In dieser Hinsicht kann ein Füllstoff,z.B. Glasfasern, Bronzepulver,Bleioxyd, Kohlenstoffasern oder Zusammensetzungen dieser Stoffe, dem granulierten P.T.F.E. vor dem Zusammendrücken zugesetzt werden. Das zusammengedrückte und gesinterte, mit Füllstoffen oder ohne Füllstoffe versehene P.T.F.E, wird aus der Presse 2 durch ein Formwerkzeug 5 extrudiert und bildet eine im wesentlichen gerade Stange 6, deren Querschnittsabmessungen etwa denjenigen des endgültig herzustellenden Ringes entsprechen. Die Stange 6 ist nach dieser Ausführung im Querschnitt rechteckig, zum Beispiel quadratisch, aber sie kann auch einen anderen geforderten Querschnitt besitzen. Die Stange 6 wird kontinuierlich aus der Presse 2 extrudiert, und wird, während sie sich noch im heißen plastifizieren Zustand, z.B. auf einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 100⁰C bis 327⁰C, befindet, ein oder mehrere Male um einen drehenden zylindrischen Dorn 5 gewunden oder gewickelt,dessen Außendurchmesser etwa dem Innendurchmesser des endgültigen Dichtungsringes entspricht oder

etwas geringer ist als dieser innere Durchmesser des endgültigen Dichtungsringes, sobald er sich im freien Zustand befindet.

Die gewickelte P.T.F.E.-Stange kann sich abkühlen, solange sie in ihrer lage auf dem Dorn gehalten wird und v/ird dann in Längsrichtung des Domes 7 durch eine Schneidvorrichtung 8 anfge-

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BAD ORIGINAL

-A- schlitzt, so daß jede Wicklung 6a,6b usw. zu einem einzelnen Ring getrennt ist. Die Änderung, die im P.T.F.E. beim Herabkühlen aus dem erhitzten Zustand eintritt, verursacht, daß das aufgewickelte, nicht geschnittene P.T.F.E. seine vorhandene Form beibehält und verhindert, daß das P.T.F.E, seine gerade Stangenform wieder annimmt.

Die Außenfläche der gewickelten P.T.F.E.-Stange kann entweder vor oder nach dem Aufschneiden durch maschinelle oder sonstige Bearbeitung auf den genauen geforderten Außendurchmesser des "< endgültigen Dichtungsringes gebracht werden, und, sobald die Windungen durchschnitten sind, können die Seitenflächen der Rin-j ge in gleicher Weise maschinell oder sonstwie bearbeitet werden. Eine oder beide dieser Formgebungsvorgänge können jedoch in Wegfall, kommen, wenn die Querschnittsabmessungen der extrudierten Stange sich in ausreichend engen Toleranzen halten. Nach dem Aufschneiden können die aneinander stoßenden Schnittenden jedes Ringes in die gewünschte Form gebracht werden, z.B. abgestuft oder rechteckig geschnitten werden.

Anstatt des Wickeins der P.T.F.E.-Stange 6 um einen Dorn 7 beim Extrudieren der Stange aus der Presse 2, d.h. dann wenn sich das P.T.F.B. noch im heißen plastifizierten Zustand befindet, kann die Stange sich auch im geraden Zustand abkühlen. Die.P.T.F.E.Stange wird dann in eine oder mehrere Längen eerschnitten, wobei jede Länge der Umfangslänge des endgültigen Ringes entspricht. Anschließend werden die geschnittenen Längen 8 entsprechend Fig. 2 entweder vor oder nach einer erneuten Beheizung in einem hohlen Dorn oder Ring 9rund gebogen, der einen Innendurchmesser besitzt, welcher im wesentlichen dem des Außendurchmessers des

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endgültigen Ringes entspricht. Der Ring wird dann mit Wärme behandelt, z.B. bei einer Temperatur von etwa 10O⁰C oberhalb der Temperatur, der der Ring im Betrieb ausgesetzt ist. Diese Beheizung kann durch Induktionsbeheizung des Domes erreicht werden, durch Verwendung einer Beheizung mit Flüssigkeitsbett, bei der die P.T.F.E.-Stange dem Wärmeübergang aus dem verflüssigten Heizmedium, z.B. heißer mit Kohlensäure gesättigter Tonerde,ausgesetzt ist, oder durch ein anderes geeignetes technisches Verfahren. Diese Wärmebehandlung verursacht, daß der Ring 8 seine vorhandene Form beibehält,wenn er aus dem Dorn 9 herausgenommen wird. Die Außenflächen der warm behandelten Ringe können durch maschinelle oder sonstige formgebende Bearbeitung auf die erforderlichen Abmessungen gebracht werden und die Schnittenden 10 können auf die geforderte Form entweder vor oder nach der Formgebung der Stange im Dorn gebracht werden.

Die Kolbenringe nach der vorstehenden Beschreibung sind axial geschlitzte Ringe, jedoch ist die Erfindung auch auf die Herstellung von geschlossenen, d.h. im Umfang kontinuierlich durchlaufenden Ringen aus extrudiertem Werkstoff anwendbar. Zu diesem Zweck wird entsprechend Fig. 3 eine länge einer extrudierten P.T.F.E.-Stange 11 mit oder ohne Füllstoffe in einen hohlen Dorn oder einen äußeren Metallring 12 eingesetzt ebenso wie nach Fig. 2, wobei der innere Umfang des Domes 12 die Außenkontur des herzustellenden P.T.F.E.-Ringes bestimmt. Darauf wird ein innerer Metallring 13, der geschlitzt ist und nach außen federt, in die bogenförmig verlegte P.T.F.E.-Stange 11 eingesetzt. Der Spalt oder Schlitz 14 des inneren Ringes oder Domes 13 ist genügend breit, z.B. 0,5 mm: breit, um die Expansion des P.T.F.E."

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während der Wärmebehandlung zu begünstigen. Die Länge der P.T«F. E.-Stange ist beim beginnenden Biegen so, daß ein schmaler Spalt zwischen den aneinander stoßenden freien Enden besteht. Diese freien Enden werden vorteilhaft entfettet, um zu gewährleisten, daß kein Hindernis vorliegt, welches das Zusammenschweißen der freien Enden verhindern könnte. ι

Die Temperatur des so hergestellten geschlitzten P.T.F.E.-Ringes 11 wird dann auf 2OÖ?C bis 39O⁰C, z.B. auf 380⁰C angehoben, so daß das P.T.P.E. plastifiziert wird während der geschlitzte Dorn_;

fc 13 einen nach außen gerichteten Druck auf den P.T.F.E.-Ring ausübt. Infolge des hohen Grades an thermischer Expansion des ^; P.T.F.E. expandiert der geschlitzte P.T.F.E.-Ring in Umfangsrichtung und dadurch stoßen seine freien Enden 15 gegenseitig i mit ausreichendem Druck gegeneinander, so daß diese Enden zusammengeschweißt werden. Der so geformte, im Umfang kontinuierliche mit Wärme behandelte P.T.F.E.-Ring wird dann herabgekühlt, z.B. durch um den Ring zirkulierende kalte luft, die das P.T.F.E. erstarren läßt, wobei die freien Enden miteinander verbunden oder verschweißt bleiben. Der Ring wird dann aus den Dornen, 12 und

" 13 entfernt.

Während der Abkühlung des P.T.F.E. zieht sich der Ring 11 zusammen, und auf diese Eontraktion ist der Spalt 14 in Inneren Dorn 13 angepaßt, so daß sich der innere Dorn mit dem P.T.F.E.-Ring während der Kühlung zusammenzieht, womit eine Oberbeanepruchung des letzteren vermieden wird. Es ist verständlich, daß zur Bestimmung der endlichen Abmessungen dee P.T.F.E.-Ringes diese Kontraktion während der Herstellung zuzulassen igt. Durch geeig-: nete Wahl der Temperatur, auf die die bogenförmig ~-*τΙ&εχ@

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P.T.F.E.-Stange angehoben wird, und des anfänglichen Spaltes zwischen den freien Enden, ist es möglich, Ringe 11 herzustellen, deren freie Enden miteinander verschweißt sind, wie beschrieben wurde, ohne daß eine Verbindung sichtbar ist.

Obgleich der Ring 11 nach der Wärmebehandlung erforderlichenfalls maschinell bearbeitet oder sonstwie geformt werden kann, wie schon ausgeführt wurde und dann als im Umfang durchlaufend · benutzt werden kann, so kann der Ring alternativ anschließend aufgeschlitzt werden, um einen nach außen oder nach innen federnden Ring zu bilden.

Es ist verständlich, daß die Dichtungsringe durch verschiedene andere Verfahren hergestellt werden können. Zum Beispiel kann die extrudierte P.T.F.E.-Stange aus einem Vorrat genommen werden, nicht auf einen der Fig. 1 ähnlichen Dorn gewickelt, und zwar von einer Speichertrommel, auf die sie vorher in kaltem Zustand gewickelt wurde. Die extrudierte Stange kann dann nach Bildung ^edes Ringes geschnitten werden oder,nachdem sie um den Dorn zur Herstellung mehrerer Ringe aufgewickelt wurde, und zwar entweder vor oder nach der Wärmebehandlung der Stange wie vorstehend erläutert ist.

Nach einer anderen Ausfiihrungsart kann das extrudierte Stangenmaterial anstelle der Wärmebehandlung der Stange nach der Formgebung um einen Dorn, z.B. ein Stangenmaterial mit Rechteckquerschnitt im kalten Zustand auf einen unterbemessenen Durchmesser gewickelt und anschließend abgeschert werden, um einen Ring ohne jeden Wärmebehandlungsschritt herzustellen und ua die Stange in ihrer Ringform zu halten. Da der Ring nicht mit Wärme

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behandelt ist und Untergröße besitzt, wird er versuchen, wenn er nicht straff gehalten wird, sich in den graden Zustand abzuwickeln, ldäem er extrudiert und abgekühlt wurde, und während dieses Abwickeln wird er versuchen, auf den tatsächlich erforderlichen Durchmesser des endgültigen Ringes zu kommen. Es ist bekannt, daß Plastikmaterialien, sobald sie physikalisch Üeformiert und dann losgelassen werden, versuchen, in ihre" Ausgangsform zurückzukehren, daß sie aber während dieser Rückkehr versuchen, bei einer bestimmten Stufe oder bei Stufen zum Stillstand zu kommen. Somit wird im vorliegenden Fall der unterbemessene Durchmesser vorteilhaft so gewählt, daß der Ring, wenn er auf diesen Durchmesser geformt und dann losgelassen wird,

versuchen wird,bei dem geforderten Durchmesser des endgültigen Ringes stillzustehen.

Nach einer weiteren Ausführung kann anstelle der Herstellung der Ringe direkt aus extrudiertem P.T.F.E.-Werkstoff mit dem erforderlichen Querschnitt eine Lage aus P.T.F.E. in Streifen mit dem erforderlichen Querschnitt zerschnitten werden, und zwar entweder vor und nach der Herstellung zu Ringen des geforderten Durchmessers, wie vorstehend beschrieben ist. Zu diesem Zweck kann eine Schicht oder lagen aus P.T.F.E. aus Stangenmaterial hergestellt werden, und zwar durch Ablösen oder Abspalten von Abschnitten erforderlicher lagendicke von der Stange.

Die nach den vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellten Kolbenringe können benutzt werden, ohne daß irgend eine anschließende Formarbeit oder maschinelle Bearbeitung durchgeführt zu werden braucht oder daß nur ein Minimum an Formings- und Maschi-.lenbearbeitungen erforderlich ist, so daß eine beträchtliche

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Einsparung sowohl an Bearbeitungszeit als auch an Material in Form von Abfallspänen erreicht wird. Da überdies das P.T.F.E. in demerforderlichen Querschnitt hergestellt wird, bevor es zu einem Ringprofil geformt wird, sind keine Formen oder Formungsvorgänge erforderlich, um das endgültige Ringprofil herzustellen. Somit können Ringe unterschiedlichen Durchmessers aus einem gemeinsamen Stangenmaterial hergestellt werden, ohne daß die Benutzung verschiedener Formen erforderlich ist.

Die beschriebenen Verfahren können benutzt werden, um einen weiten Bereich von Ringen herzustellen, und zwar ausgehend von dem kleinsten Durchmesser bis hinauf zu Durchmessern über 75 cm.

Es können verschiedene Abänderungen innerhalb der lösungsgedankens der Erfindung durchgeführt werden. Zum Beispiel können Fluorcarbonpolymere neben P.T.F^E. öder andere synthetische Plastikmaterialien verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie die erforderlichen physikalischen Eigenschaften mit Füllstoffen oder ohne Füllstoffe besitzen.

Obgleich axial geschlitzte, nach außen federnde Ringe und im Umfang voll durchlaufende Ringe beschrieben wurden, kann die Erfindung auch auf axial geschlitzte, nach innen federnde Ringe oder aus Spiraldichtungen oder schraubenförmige Dichtungen angewendet werden. Obgleich die Erfindung speziell auf Kolbenringe anwendbar ist, kann sie auch für andere Zwecke benutzt werden, wo eine Dichtung erwünscht ist, und zwar zwischen relativ zueinander hin - und herlaufenden oder zueinander drehbaren Teilen«

Um die physikalischen Eigenschaften der Ringe zu modifizieren, z.B. um eine zusätzliche Federung zu erreichen, kann ein Mate-

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rial mit Federungseigenschaft, welches ein Metall oder ein anderes Plastikmaterial sein kann, den Kern der P.T.F.E.-Stange bilden, so daß es in der Stange eingebettet ist. Dieses federnde Material kann während der Extrudierung der Stange in das Material eingeleitet werden.

Obgleich der innere Metallring oder Dorn, der bei der Herstellung von im Umfang durchlaufenden Ringen verwendet wurde, geschlitzt sein kann, wie beschrieben ist, kann er alternativ auch im Umfang kontinuierlich durchlaufen oder voll durchlaufen.

Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Ringen rechteckigen oder quadratischen Querschnitts beschränkt und auch nicht auf Kompressionsringe für Kompressoren oder Brennkraftmaschinen, sondern ist gleichfalls anwendbar auf Ringe mit anderen extrudierbaren Querschnitten, z, B. keilförmigen Querschnitt _r U-förmigen Querschnitt, z. B. für ölabstreifringe.

Claims (1)

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Patentansprüche

1Λ Verfahren zur Herstellung eines Dichtungsringes, dadurch gekennzeichnet, daß eine länge aus synthetischem Plastikmaterial ait tin·* Querschnitt im »allgemeinen entsprechend dem des herzustellenden Dichtungsringes in das Profil des Ringes gebracht wird.

2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastikmaterial kontinuierlich &lz Stange mit dem erforderlichen Querschnitt extrudiert wird, mindestens einmal um einen Dorn des erforderlichen Durchmessers gewickelt und dann zur Festlegung des Ringprofils wärmebehandelt wird.

3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekannzeichnet, daß die Stange mehpere Haie in einem heißen Zustand um den Dorn gewickelt, abgekühlt und zur Herstellung eines axial geschlitzten« normal nach außen federnden« dichtenden Ringes aufgeschnitten wird.

4, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastikmaterial als Stange mit dem erforderlichen Querrciüiitt extrudiert wird, auf Länge geschnitten wird, mittels crxos Domes des erforderlichen Durchmessers zu einem Ringpi'-oi'j 7

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ORIGINAL

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gebogen und dann mit Wärme behandelt wird, um sein geforder-j tes Ringprofil zu fixieren. '

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange auf eine Temperatur beheizt wird, die das Plastikmaterial plastifiziert, daß die freien Enden der Stange zur Anlage miteinander gebracht,um sie zusammenzuschweißen,und daß der so hergestellte im Umfang durchlaufende Ring schnell? gekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, da£ W die Stange in einem hohlen Dorn zu einem Ringprofil gebogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 in Kombination mit Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange nach außen gegen den hohlen Dorn durch einen nach außen federnden Dorn gedruckt wird, der/tiie bogenförmig gekrümmte Stange eingesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plastikmaterial als Stange mit dem erforderlichen Querschnitt •extrudiert wird, daß die Stange im kalten Zustand auf einen j

) unterbemessenen Durchmesser gewickelt und anschließend zur Erzeugung des Ringes abgeschert wird, wobei der unterbemesse--' ne Durchmesser so gewählt wird, daß der nicht xa straff gehaltene Ring expandiert und bei Erreichen des erforderlichen Durchmessers des endlichen Ringes stehen bleibt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lage oder Stange aus extrudiertem Plastikmaterial in Streifen des erforderlichen Querschnittes geschnitten wird* und

' zwar vor oder nach Bildung zu Ringen des erforderlichen '

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10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Plastikmaterial granuliertes,gesintertes P.T.F.E, mit oder ohne Füllstoffe verwendet wird.

j 11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge-

\ kennzeichnet, daß eine oder mehrere Flächen des Ringes maschinell "bearbeitet oder in anderer Weise fertiggestellt werden.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der : Ansprüche 1 Ms 3, gekennzeichnet durch die Kombination aus ^! einer Extrudierungspresse, einem Dorn zur Aufnahme einer synthetischen Plastikstange, die kontinuierlich aus der Presse extrudiert wird, wenn sich das Material im erhitzten Zustand "befindet, wobei der erwähnte Dorn in Umdrehung versetzbar ist, um die Stange auf ihn aufzuwickeln, und wobei eine Schneidvorrichtung vorgesehen ist, um die aufgewickelte Stange in einzelne Ringe zu unterteilen.

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